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摘要：VoWLAN是当前研究的热点，VCFCA机制有效地提高了VoWLAN的容量。如果对VCFCA做适当的改进，则VCFCA能适应VBR，并增强了鲁棒性。
关键词：Voice over WLAN ；VCFCA；VBR
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)16-30989-02
VCFCA Oriented to VBR
MA Sheng-zheng1,HUANG Jian-hua2
(1.College of Telecommunication & Information Engineering,Nanjing University of Posts & Telecommunications,Nanjing 210003,China;2.China Mobile Communications Group Qinghai province Corporation,Qingdao 810000,China)
Abstract:VoWLAN is one focus of research, VCFCA improves the capacity of VoWLAN effectively. A adaptation can enables VCFCA to support VBR and more robust.
Key words:Voice over WLAN;VCFCA;VBR
1 引言
个人通信的无线化的两大主流技术是以IEEE 802.11为代表的WLAN（无线局域网）和以GSM为代表的PLMN（移动通信网络）。WLAN技术脱胎于有线局域网LAN，PLMN技术来源自固定电话网络PSTN；WLAN成本低、布网方便、开放性好，PLMN服务好、覆盖面广。
WLAN和PLMN技术上的根本不同在MAC层的接入方式上：WLAN主要采用竞争式的，PLMN主要采用固定分配式的。这是因为WLAN面向的是主要是突发性的数据业务，PLMN面向的主要是周期性的语音业务。两者的侧重点不同，相互补充和渗透。话音业务需求稳定、利润丰厚，WLAN成本低廉，在WLAN上传送话音的VoWLAN业务前景非常光明。提高VoWLAN的性能，对于VoWLAN的普及和发展有着重要的意义。
2 802.11协议
WLAN的服务区域称为基本服务区BSA。在一个BSA内相互通信的设备组成了一个基本业务组BSS，BSS主要有两种拓扑结构：无接入点AP的分布对等式、有AP的基础结构集中式。无AP的BSS只适合小规模的WLAN。有AP的BSS里移动终端MS之间通信要经过AP。
IEEE 802.11MAC层的基础是DCF功能。DCF的基础是先听后说的CSMA/CA技术。CSMA/CA的核心是随机退避算法和回复确认机制。
BEB（二进制指数退避）是最普遍的退避算法，该算法用到三个变量：竞争窗口CW、退避时隙数BS、重发数RC和三个常量：CW_min、CW_max、重发数上限RL。CW初次取值CW_min。
执行BEB时，在平均分布[0，（CW-1）]中随机选择一个整数赋予BS，以后信道空闲（时间大于difs）每过一个时隙，BS减少1，如果到BS减少到0时立即发送。
回复确认机制要求接收数据包的一方要在规定的时间sifs内给发方回复一个确认包。
数据包在发送前要先监听（物理和虚拟载波）信道空闲时间是否大于帧间隔，如果是就直接发送。否则就等空闲（大于帧间隔）后执行随机退避算法。发射后等待对方回复确认包。如果收到，就认为发射成功，CW取值CW_min，并执行BEB。如果没有等到确认包就认为发射失败， RC加1。如果这时候RC达到RL则丢弃数据包，否则CW增加一倍（直到CW_ max）后执行BEB。
CSMA/CA的不足有：
(1)CSMA/CA可以大大地减少碰撞，但不能完全避免碰撞。设有m个设备在信道由忙转闲的时候同时退避，如果CW等于32，则会发生碰撞的概率是1- 。
(2)在减少碰撞的同时，CSMA/CA必然要浪费一些空闲的时隙。如果m=1,则在设备发送数据前浪费的时隙数的平均值是CW/2。
(3)回复的确认包一般需要203微秒（物理层头速率是1Mbps需要192微秒、帧体速率是2Mbps需要11微秒）。并且确认包也可能出错，如果没有收到确认包，设备无法区分是发送数据包的过程出错，还是回复确认包的时候出错。
3 Voice over WLAN
语音包负荷的编码方式主要有三种：(1)PCM代表的波形编码，简单、质量高、速率高，适合固定电话等带宽富裕的业务，例如ITU-T G.711。(2)参数编码，提取和传送输入信号的一组参数到接收端，质量低、速率低。例如LPC-10 (3)混合编码，是前二者的融合，同时兼顾语音的质量和速率。适合移动电话、VoIP，例如G.729。
衡量话音业务QoS的客观指标中最基础的是丢包率、迟延和迟延抖动。话音业务的QoS的特点是：有一定的容错能力、实时性要求高。ITU－T规定VoIP的丢包率<3%，迟延<150毫秒。迟延抖动<1毫秒。[1]
4 提高Voice over WLAN的容量和Qos的主要方法
优化参数的目的在于在保证Qos合格的前提下，使网络承载的话路数最大化。优化参数的原则是：Qos合格优先于话路数；Qos的指标中迟延合格优先于丢包率。同时还要尽量与802.11原协议兼容。
提高VoWLAN的容量的主要方法有三种：
(1)压缩语音包的长度.例如ROHC可以把40字节的IP+UDP+RTP开销压缩到2字节[2],以G.729代替G.711可以把负荷的编码速率从64kbps压缩到8kbps。
(2)减少语音包的数目，例如：
通话时，双方是一方听、一方说，不会同时都说话。根据静音的时候是否产生空语音包，VoIP可以分成两种：恒定比特率（CBR）和变比特率（VBR）。一般来说，同样的话路数，VBR需要的资源是CBR的一半，同样的资源，VBR能承载的话路数是CBR的两倍。
在编码速率不变的情况下，加大帧间隔和语音包长度，能减少包的数量。[3]
N对用户上下行共需要2N话路。M-M机制提出AP把下行话路聚合后多播，话路总数就从2N减少到N+1，减少了开销和碰撞，仿真表明可以容量增加了83%[4]。
(3)改进退避算法，提高信道的利用效率，减少碰撞和退避时浪费的时隙数：
建立在DCF基础上的PCF是指由AP通过对MS轮询来分配信道的各个时隙，适合实时性业务。缺点有轮询本身也需要占资源，鲁棒性也不如DCF。
与CSMA/CA相比，CTS/RTS机制可以有效的减少长包的碰撞，但是不适合短包。
IEEE 802.11e是为解决Qos问题而补充的协议。IEEE 802.11引进的EDCA（enhanceddistribution channel access）机制提出了业务分级的概念，解决了不同等级的业务在设备内部的排队问题[5]。其实质是等级低的业务为等级高的的业务让步。
在M-M机制的基础上，（VCFCA）虚拟无竞争信道接入提出：AP通过竞争发送多播包后，MS按次序，用接力的办法向AP发送语音包。通过虚拟载波监听，持续占用信道给相关MS使用。其他MS通过虚拟载波监听无法占用，并且取消回复确认。这样在整个复合帧内信道在物理上是竞争的，逻辑上是无竞争的。仿真表明，容量增加了300%。[6]既大大地提高了效率，又很好地解决了协议的兼容问题。
关键词：Voice over WLAN ；VCFCA；VBR
中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2007)16-30989-02
VCFCA Oriented to VBR
MA Sheng-zheng1,HUANG Jian-hua2
(1.College of Telecommunication & Information Engineering,Nanjing University of Posts & Telecommunications,Nanjing 210003,China;2.China Mobile Communications Group Qinghai province Corporation,Qingdao 810000,China)
Abstract:VoWLAN is one focus of research, VCFCA improves the capacity of VoWLAN effectively. A adaptation can enables VCFCA to support VBR and more robust.
Key words:Voice over WLAN;VCFCA;VBR
1 引言
个人通信的无线化的两大主流技术是以IEEE 802.11为代表的WLAN（无线局域网）和以GSM为代表的PLMN（移动通信网络）。WLAN技术脱胎于有线局域网LAN，PLMN技术来源自固定电话网络PSTN；WLAN成本低、布网方便、开放性好，PLMN服务好、覆盖面广。
WLAN和PLMN技术上的根本不同在MAC层的接入方式上：WLAN主要采用竞争式的，PLMN主要采用固定分配式的。这是因为WLAN面向的是主要是突发性的数据业务，PLMN面向的主要是周期性的语音业务。两者的侧重点不同，相互补充和渗透。话音业务需求稳定、利润丰厚，WLAN成本低廉，在WLAN上传送话音的VoWLAN业务前景非常光明。提高VoWLAN的性能，对于VoWLAN的普及和发展有着重要的意义。
2 802.11协议
WLAN的服务区域称为基本服务区BSA。在一个BSA内相互通信的设备组成了一个基本业务组BSS，BSS主要有两种拓扑结构：无接入点AP的分布对等式、有AP的基础结构集中式。无AP的BSS只适合小规模的WLAN。有AP的BSS里移动终端MS之间通信要经过AP。
IEEE 802.11MAC层的基础是DCF功能。DCF的基础是先听后说的CSMA/CA技术。CSMA/CA的核心是随机退避算法和回复确认机制。
BEB（二进制指数退避）是最普遍的退避算法，该算法用到三个变量：竞争窗口CW、退避时隙数BS、重发数RC和三个常量：CW_min、CW_max、重发数上限RL。CW初次取值CW_min。
执行BEB时，在平均分布[0，（CW-1）]中随机选择一个整数赋予BS，以后信道空闲（时间大于difs）每过一个时隙，BS减少1，如果到BS减少到0时立即发送。
回复确认机制要求接收数据包的一方要在规定的时间sifs内给发方回复一个确认包。
数据包在发送前要先监听（物理和虚拟载波）信道空闲时间是否大于帧间隔，如果是就直接发送。否则就等空闲（大于帧间隔）后执行随机退避算法。发射后等待对方回复确认包。如果收到，就认为发射成功，CW取值CW_min，并执行BEB。如果没有等到确认包就认为发射失败， RC加1。如果这时候RC达到RL则丢弃数据包，否则CW增加一倍（直到CW_ max）后执行BEB。
CSMA/CA的不足有：
(1)CSMA/CA可以大大地减少碰撞，但不能完全避免碰撞。设有m个设备在信道由忙转闲的时候同时退避，如果CW等于32，则会发生碰撞的概率是1- 。
(2)在减少碰撞的同时，CSMA/CA必然要浪费一些空闲的时隙。如果m=1,则在设备发送数据前浪费的时隙数的平均值是CW/2。
(3)回复的确认包一般需要203微秒（物理层头速率是1Mbps需要192微秒、帧体速率是2Mbps需要11微秒）。并且确认包也可能出错，如果没有收到确认包，设备无法区分是发送数据包的过程出错，还是回复确认包的时候出错。
3 Voice over WLAN
语音包负荷的编码方式主要有三种：(1)PCM代表的波形编码，简单、质量高、速率高，适合固定电话等带宽富裕的业务，例如ITU-T G.711。(2)参数编码，提取和传送输入信号的一组参数到接收端，质量低、速率低。例如LPC-10 (3)混合编码，是前二者的融合，同时兼顾语音的质量和速率。适合移动电话、VoIP，例如G.729。
衡量话音业务QoS的客观指标中最基础的是丢包率、迟延和迟延抖动。话音业务的QoS的特点是：有一定的容错能力、实时性要求高。ITU－T规定VoIP的丢包率<3%，迟延<150毫秒。迟延抖动<1毫秒。[1]
4 提高Voice over WLAN的容量和Qos的主要方法
优化参数的目的在于在保证Qos合格的前提下，使网络承载的话路数最大化。优化参数的原则是：Qos合格优先于话路数；Qos的指标中迟延合格优先于丢包率。同时还要尽量与802.11原协议兼容。
提高VoWLAN的容量的主要方法有三种：
(1)压缩语音包的长度.例如ROHC可以把40字节的IP+UDP+RTP开销压缩到2字节[2],以G.729代替G.711可以把负荷的编码速率从64kbps压缩到8kbps。
(2)减少语音包的数目，例如：
通话时，双方是一方听、一方说，不会同时都说话。根据静音的时候是否产生空语音包，VoIP可以分成两种：恒定比特率（CBR）和变比特率（VBR）。一般来说，同样的话路数，VBR需要的资源是CBR的一半，同样的资源，VBR能承载的话路数是CBR的两倍。
在编码速率不变的情况下，加大帧间隔和语音包长度，能减少包的数量。[3]
N对用户上下行共需要2N话路。M-M机制提出AP把下行话路聚合后多播，话路总数就从2N减少到N+1，减少了开销和碰撞，仿真表明可以容量增加了83%[4]。
(3)改进退避算法，提高信道的利用效率，减少碰撞和退避时浪费的时隙数：
建立在DCF基础上的PCF是指由AP通过对MS轮询来分配信道的各个时隙，适合实时性业务。缺点有轮询本身也需要占资源，鲁棒性也不如DCF。
与CSMA/CA相比，CTS/RTS机制可以有效的减少长包的碰撞，但是不适合短包。
IEEE 802.11e是为解决Qos问题而补充的协议。IEEE 802.11引进的EDCA（enhanceddistribution channel access）机制提出了业务分级的概念，解决了不同等级的业务在设备内部的排队问题[5]。其实质是等级低的业务为等级高的的业务让步。
在M-M机制的基础上，（VCFCA）虚拟无竞争信道接入提出：AP通过竞争发送多播包后，MS按次序，用接力的办法向AP发送语音包。通过虚拟载波监听，持续占用信道给相关MS使用。其他MS通过虚拟载波监听无法占用，并且取消回复确认。这样在整个复合帧内信道在物理上是竞争的，逻辑上是无竞争的。仿真表明，容量增加了300%。[6]既大大地提高了效率，又很好地解决了协议的兼容问题。